Les éléments chimiques

Cours de 1ère_SVT Tronc commun

UNE LONGUE HISTOIRE DE LA MATIERE

Chapitre 1 : LES ELEMENTS CHIMIQUES

Quels sont les éléments chimiques présents dans l’Univers, sur Terre, dans les êtres vivants ? Comment se sont-ils formés ?

1.A : l’abondance des éléments chimiques

Les éléments chimiques sont des entités qui se caractérisent par le même nombre de protons. Ils ne sont pas uniformément répartis dans l’Univers.

Chaque élément chimique est ainsi caractérisé par son numéro atomique Z correspondant au nombre de protons de l’élément considéré.

Chaque élément est représenté par une lettre majuscule parfois suivie d’une minuscule ; exemples :

Elément Symbole Numéro atomique Z

Hydrogène H 1

Fer Fe 26

Les éléments chimiques sont classés par numéro atomique croissant dans un tableau appelé la classification périodique des éléments : la classification de Mendeleïev (1869)

La classification périodique comprend 118 éléments chimiques ; parmi eux, 94 sont naturels. Les autres sont artificiels et ont été crées en laboratoire.

Les éléments chimiques ne sont pas répartis de manière homogène dans l’Univers.

L’abondance relative d’un élément chimique (= mesure de sa proportion par rapport aux autres éléments dans un environnement donné) peut être mesurée par fraction de masse, fraction atomique (comparaison du nombre d’atomes), ou par fraction molaire (comparaison du nombre de molécules).

- Dans l’Univers, les 2 éléments les plus abondants sont l’Hydrogène (H) et l’Hélium (He). VOIR ACTIVITE (Doc 8, page 18)

Ces éléments sont apparus dès les premières minutes de la formation de l’Univers.

En % d’atomes, l’abondance de l’Hydrogène (H) dans l’Univers est de 90%, et celle de l’Hélium de 9%.

Depuis la formation de l’Univers ces proportions ont très peu évolué, bien que l’Hélium soit produit en permanence par les étoiles (à partir d’Hydrogène), mais en quantités relativement très faibles.

- Sur Terre, les éléments les plus abondants ne sont pas l’Hydrogène et l’Hélium, mais l’oxygène (O), le fer (Fe), le silicium (Si), le magnésium (Mg)

L’oxygène est l’élément le plus important sur Terre ; il entre dans la composition de l’eau, de l’air, et c’est aussi l’élément le plus abondant des roches terrestres. VOIR ACTIVITE ( Doc 10 page 18)

Eléments sur Terre O Fe Si Mg

Proportion en atomes (%) 32 28 17 16

- On trouve également de l’hydrogène dans l’Hydrosphère, celle-ci étant constituée essentiellement de molécules d’eau (= zones de la Terre où l’eau est présente – liquide, solide, ou gazeuse).

- Dans la biosphère (ensemble des organismes vivants), on retrouve les mêmes éléments chimiques, mais dans des proportions différentes, avec quatre éléments majeurs : l’oxygène (O), le carbone (C), l’hydrogène (H), et l’azote (N).

- Les êtres vivants sont constitués de molécules minérales (comme l’eau = 70 à 75% de leur masse) et de molécules organiques, majoritairement des atomes de carbone et d’hydrogène liés entre eux, et éventuellement à d’autres atomes ou groupes chimiques (Protéines, hormones, ADN, etc..).

Eléments de la Biosphère H O C N

Proportion en atomes (%) 53 39 6,5 0,5

1.B : l’origine des éléments chimiques

Les tous premiers éléments chimiques sont nés lors de la formation de l’Univers. Des réactions nucléaires au sein des étoiles sont à l’origine de la centaine d’éléments chimiques actuellement connus.

La formation de l’Univers a eu lieu environ 13,7 milliards d’années, lors du Big Bang. L’Univers est alors extrêmement condensé et chaud ; les particules élémentaires comme les neutrons et les protons sont encore libres et non regroupés en noyaux atomiques.

Au bout d’une centaine de secondes, l’Univers en pleine expansion voit sa température baisser (elle est de l’ordre de 10 9 °Celsius, soit un milliard de degrés Celsius), les protons et les neutrons commencent à s’associer pour former les noyaux atomiques les plus simples d’hydrogène et d’hélium. C’est la nucléosynthèse primordiale, qui s’achève avec la création de ces deux éléments.

C’est lors de la formation des étoiles, quelques 100 millions d’années plus tard après le Big Bang, que les éléments chimiques plus lourds peuvent se former. C’est la nucléosynthèse stellaire, qui permet la formation de nouveaux noyaux atomiques par des réactions de fusion nucléaire au sein même des étoiles (fusion de noyaux d’hydrogène). Se forment alors des noyaux de carbone, d’oxygène et de fer, selon la taille de l’étoile (structure en pelure d’oignon).

L’explosion de l’étoile (supernova) dissémine les éléments lourds dans tout l’espace.

La plupart des étoiles peu massives, comme le Soleil, sont constituées essentiellement d’hydrogène et d’hélium. Elles consomment leur hydrogène pour produire de l’hélium.

1.C : du Big Bang à l’apparition de la vie

1.C.1 : Frise chronologique

1.C.2 : Les conditions d’apparition de la vie

Pour que la vie telle que nous la connaissons apparaisse sur une planète, il faut réunir plusieurs conditions :

❯ la planète doit être rocheuse ;

❯ la température doit y être clémente, et les écarts entre les saisons, les jours et les nuits, peu importants ;

❯ la « gravité » doit être importante, pour retenir les éléments chimiques « biogènes » tels que le carbone et l’oxygène, mais pas trop importante pour permettre le mouvement ;

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